風(fēng)力擺控制系統(tǒng).docx

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B 題）摘要:本系統(tǒng)為由 STM32 單片機(jī)控制模塊、姿態(tài)采集模塊、風(fēng)力擺模塊、液晶顯示模塊、人機(jī)交互系統(tǒng)以及風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。MPU6050 采集風(fēng)力擺姿態(tài)角，單片機(jī)處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過(guò) PID 精確算法調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)以控制風(fēng)力擺。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力控制下快速起擺、 畫(huà)線、恢復(fù)靜止的功能，并能準(zhǔn)確畫(huà)圓，且受風(fēng)力影響后能夠快速恢復(fù)畫(huà)圓狀態(tài)，具有很好的魯棒性。另外，本系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，各參數(shù)及測(cè)試模式可由按鍵輸入并通過(guò)液晶顯示，智能性好，反應(yīng)速度快。關(guān)鍵詞：PID 算法 MPU6050 STM32單片機(jī) 人機(jī)交互1 系統(tǒng)方案本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊、電源模塊、姿態(tài)采集模塊、風(fēng)力擺模塊、液晶顯示模塊、人機(jī)交互系統(tǒng)以及風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。風(fēng)力擺由萬(wàn)向節(jié)連接碳桿再連接風(fēng)機(jī)組成。位于碳桿最下方的姿態(tài)采集模塊不斷采集風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角，并返回單片機(jī)。單片機(jī)控制液晶顯示姿態(tài)角數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)后通過(guò)控制 PWM 波占空比控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。圖1 系統(tǒng)總計(jì)結(jié)構(gòu)框圖1.1處理器選擇方案方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)。傳統(tǒng)的51單片機(jī)為8位機(jī)，價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，但是運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以存儲(chǔ)大體積的程序和實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時(shí)鐘限制，計(jì)時(shí)精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。方案二：采用以增強(qiáng)型80C51內(nèi)核的STC系列單片機(jī)STC12C5A60S2，其片內(nèi)集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定時(shí)器等資源，操作也較為簡(jiǎn)單，具有在系統(tǒng)調(diào)試功能（ISD），開(kāi)發(fā)環(huán)境非常容易搭建。但實(shí)際使用了三維角度傳感器等對(duì)速度要求較高的外設(shè)，因此無(wú)法很好地符合設(shè)計(jì)的需要。方案三：采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片時(shí)鐘頻率高達(dá)72MHz，具有64K字節(jié)SRAM，512K字節(jié)的FLASH容量，具有極強(qiáng)的處理計(jì)算能力。較為適合需要快速反應(yīng)的控制系統(tǒng)。通過(guò)比較，我們選擇方案三，采用STM32F3系列單片機(jī)STM32F103ZET6作為控制器1.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制方案的選擇與論證方案一：采用 2 只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。采用 2 只風(fēng)機(jī)并排同向而立，分別位于擺桿兩側(cè)，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力擺使激光筆畫(huà)線畫(huà)圓。此方案風(fēng)力擺負(fù)載輕，但風(fēng)力擺擺動(dòng)過(guò)程中狀態(tài)微調(diào)和快速靜止不易實(shí)現(xiàn)。方案二：采用 3 只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。三只風(fēng)機(jī)為等邊三角形三邊，相背而立，互成 120夾角。此方案相對(duì)于方案二在控制風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中狀態(tài)微調(diào)方面有提升，但自成三角形，相鄰兩風(fēng)機(jī)夾角過(guò)大，依舊不利于精確控制風(fēng)力擺狀態(tài)。方案三：采用 4 只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。四只風(fēng)機(jī)取一邊靠于擺桿，朝向成順時(shí)針排列，通過(guò)控制四只風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力擺當(dāng)前狀態(tài)。此方案風(fēng)力擺負(fù)載最重，但對(duì)于控制風(fēng)力擺狀態(tài)最為精確，且動(dòng)力最足。綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的快速工作以及精確控制，本系統(tǒng)采用方案三。1.3電機(jī)速度控制方案方案一：采用D/A變換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)電壓的模擬量。再利用電平的高低達(dá)到調(diào)速的目的。原理框圖如圖1所示。本方案達(dá)到了利用CPU輸出的數(shù)字量精確控制模擬量的目的。但原電路比較復(fù)雜，成本較高。 方案二：采用脈寬調(diào)制方式（PWM）從I/O口輸出不同占空比的脈沖，經(jīng)濾波后獲得不同高低電平控制電機(jī)。本方案可以達(dá)到對(duì)速度的控制要求，且控制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)比較明顯方案二最單潔清晰、容易實(shí)現(xiàn)、速度快、精度高。從系統(tǒng)指標(biāo)要求來(lái)看，對(duì)速度要求較高，低速與高速之間差別較大，且準(zhǔn)確度要求高，各個(gè)速度之間的切換也要求簡(jiǎn)單、迅速。采用方案二可利用單片機(jī)運(yùn)行速度快的特點(diǎn)進(jìn)行速度的快速調(diào)整，且方案二速度準(zhǔn)確度高、級(jí)數(shù)多容易達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)要求，所以我們選用方案二作為控制部分具體實(shí)施的方案。1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案方案一：采用自搭接的H橋電路選用大功率達(dá)林頓管或場(chǎng)效應(yīng)管自制H橋電路，電路原理簡(jiǎn)單，具有高效，低功率等特點(diǎn)，但是性能不夠穩(wěn)定，電路調(diào)試復(fù)雜。方案二 采用芯片L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用單片機(jī)控制L298的輸入使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 電子開(kāi)關(guān)的速度很快， 穩(wěn)定性也極強(qiáng)。 但驅(qū)動(dòng)電流小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)更大功率的電機(jī)，限制了其應(yīng)用范圍。綜合以上分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好，所以選擇方案二1.5 電源方案的論證與選擇方案一：使用單電源接自制線性直流穩(wěn)壓源模塊。單電源同時(shí)給控制系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)供電，方案簡(jiǎn)單易操作。但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不僅會(huì)給電源帶來(lái)紋波，而且產(chǎn)生反電壓容易使單片機(jī)被燒毀。且單電源工作負(fù)載大，耗電快。方案二：采用雙電源供電。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和控制電源分開(kāi)，控制電機(jī)部分通過(guò)光耦隔離。電機(jī)使用 12V 鋰電池供電，單片機(jī)控制系統(tǒng)用另一塊電池接線性姿態(tài)采集模塊人機(jī)交互系統(tǒng)風(fēng)力擺模塊單片機(jī)系統(tǒng)液晶顯示模塊。直流穩(wěn)壓源模塊供電。此方案可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且滿足了系統(tǒng)對(duì)供電需求。綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以，本系統(tǒng)采用方案二。1.5 角度測(cè)量方案的選擇與論證方案一：只測(cè)量風(fēng)力擺關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角。采用二維平面內(nèi)角位移傳感器測(cè)量風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角， 通過(guò)控制該偏轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對(duì)流風(fēng)機(jī)的控制。該方案軟件處理繁瑣，且二維平面內(nèi)的角位移傳感器不利于測(cè)量風(fēng)力擺的空間位置，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的精確控制。方案二：選用雙軸傾角傳感器模塊 LE-60-OEMLE-60-OEM，測(cè)量重力加速度變化，轉(zhuǎn)為傾角變化，可測(cè)量雙向。具有穩(wěn)定性高、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。響應(yīng)速度為 5Hz。它可以測(cè)量平衡板與水平方向的夾角，x,y 方向可以測(cè)，但 z軸不可測(cè)。且操作復(fù)雜，軟件處理難度大。方案三： 采用三維角度傳感器。 用三維角度傳感器時(shí)刻測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)，通過(guò)處理采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)。 此方案可精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的精確控制。綜合比較以上兩個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案三。1.7控制算法的選擇方案一：采用模糊控制算法, 模糊控制有許多良好的特性,它不需要事先知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大。方案二：采用PID算法，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)行運(yùn)算,將其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。優(yōu)點(diǎn)是控制精度高,且算法簡(jiǎn)單明了。對(duì)于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機(jī)的資源和運(yùn)算時(shí)間。綜合比較以上兩個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 風(fēng)力擺狀態(tài)的測(cè)量與計(jì)算采用高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050不斷采集風(fēng)力擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)。MPU6050 集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀，3 軸 MEMS 加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU6050 和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用 400kHz的I2C 接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。且內(nèi)置的可編程卡爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè) 16 位的 ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過(guò) DMP處理器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)然后通過(guò)串口輸出。2.2 風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制的分析風(fēng)力擺采用4只45W 的直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。姿態(tài)采集模塊采集風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角，單片機(jī)處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)輸出 PWM 的占空比，控制四只風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。2.3 控制算法的分析本系統(tǒng)采用 PID 算法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID 算法控制器由舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例 P、角度誤差積分 I和角度微分 D 組成。其輸入 e (t）與輸出 U (t）的關(guān)系為：Ut=P*et+1I0tetdt+D*de(t)dt它的傳遞函數(shù)為：Gs=U(s)E(s)=P*1+1I*s+D*s風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例 P：對(duì)風(fēng)力擺角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。但不能過(guò)大，過(guò)大可能造成四風(fēng)機(jī)因工作狀態(tài)突變而是擺桿不穩(wěn)定。角度誤差積分 I： 使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。本系統(tǒng)追求更快更穩(wěn)完成對(duì)風(fēng)力擺的控制，因此，本系統(tǒng)對(duì)積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時(shí)系統(tǒng)不會(huì)受到影響。角度微分 D：微分作用反映風(fēng)力擺角度的變化率，即角速度。具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒(méi)有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下,減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三個(gè)獨(dú)立按鍵輸入各參數(shù)及測(cè)試模式， 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面，按下指定按鍵后進(jìn)入菜單選擇界面，菜單選擇界面有 6 個(gè)功能：分別對(duì)應(yīng)題目基本要求和發(fā)揮部分 6 點(diǎn)，通過(guò)按鍵可以選擇進(jìn)入相應(yīng)的功能，功能執(zhí)行完畢后系統(tǒng)回到菜單選擇界面，繼續(xù)等待按鍵輸入執(zhí)行相應(yīng)的功能。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。此處添加軟件的流程圖圖2 系統(tǒng)程序流程圖3.1 電源電路設(shè)計(jì)3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.2 角位移傳感器輸出電路設(shè)計(jì)此處添加角度位移傳感器電路4系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試儀器（1）秒表（2）量角器（3）自制方向角度圖紙4.2 測(cè)試方案及結(jié)果4.2.1 驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于 50cm的直線段，來(lái)回4次，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及最大偏差距離。測(cè)試結(jié)果如表 1 所示。表 1 風(fēng)力擺畫(huà)長(zhǎng)于 50cm 直線測(cè)試時(shí)間誤差1誤差2誤差3誤差4第一次測(cè)試第二次測(cè)試第三次測(cè)試4.2.2 設(shè)置風(fēng)力擺畫(huà)線長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及在畫(huà)不同長(zhǎng)度直線時(shí)來(lái)回4次的時(shí)間以及偏差距離。測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。表 2 風(fēng)力擺畫(huà)不同長(zhǎng)度直線測(cè)試時(shí)間誤差1誤差2誤差3誤差4畫(huà)30cm直線畫(huà)40cm直線畫(huà)50cm直線畫(huà)60cm直線5總結(jié)本次電子設(shè)計(jì)大賽所設(shè)計(jì)的作品能夠達(dá)到用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM輸出以及對(duì)用PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的成功控制，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺系統(tǒng)中的最基本也是最核心的部分。本系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)有：在軟件方面，（1）使用PWM控制技術(shù)結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并成功實(shí)現(xiàn)了本次比賽中基礎(chǔ)部分的第一和第二項(xiàng)要求；（2）采用IIC通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與角度傳感器的通信，大大提高通信速度；在硬件方面，（1）采用系統(tǒng)模塊化，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的各個(gè)功能的調(diào)試以及提高系統(tǒng)可靠性； （2）采用數(shù)電與模電的隔離，避免干擾，系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。6參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白,華程英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M.北京:高等教育出版社,2009.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.北京:高等教育出版社,20